JP2006520092A - 導電性炭素から成る量子ドット、この製造のための方法及び使用 - Google Patents

Abstract

量子ドットはとりわけナノエレクトロニクスにおいて有利に利用可能なその電気的特性の量子化を示す。しかし、量子ドットの精確な構造、製造及び組み込みは非常に難しく、十分には成功していない。本発明の量子ドット（ＱＰ）は、ダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ_ＱＰ）の中にグラファイト状構造（ＧＬＣ）を有する円柱状領域として埋め込まれた構造を特徴としている。この電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ_ＱＰ）は、２つの電気絶縁性の、この特性をイオン通過の後でも示す絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）との間に設けられている。従って、初めて幾何学的かつ局所的に精確に定められた量子ドットがナノエレクトロニクスにとって非常に関心の高いＤＬＣ材料において提供されるのである。この量子ドットは８ｎｍより下の寸法を有することができ、とりわけ単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）の実現に適している。集積されたナノワイヤによってシンプルな接続が行われる。製造は簡単なやり方でイオンビーム（ＩＢ）による層パケット（ＬＳ）の照射によって行われる。この場合、量子ドット（ＱＰ）及びナノワイヤ（ＮＷ）は、イオントラック（ＩＴ）においてダイヤモンド状構造を有する非導電性炭素（ＤＬＣ）をグラファイト状構造を有する導電性炭素（ＧＬＣ）に変換することによって生じる。

Description

本発明は導電性炭素から成る量子ドット、その製造のための方法及び使用に関する。

ほんの数ナノメートルの寸法を有するオブジェクト、いわゆる量子ドット又はナノドット又は量子島では、電子の運動自由度が全ての３つの空間方向において制限されている（「ゼロ次元系」）。特にナノ光学及びナノエレクトロニクスにおいて使用される量子ドットは離散的なエネルギスペクトルを有し、いろいろな観点から見て原子に類似した挙動を示す。しかし、原子とは異なり、サイズ及び電子的構造を制御できる。量子ドットの僅少な電気容量のために、既に量子ドットの中に存在する電子に対して更に別の電子を付加すること（「単一電子トンネリング」）は、数十ｍｅＶ〜数百ｍｅＶまでの領域の所定のエネルギコストを必要とする（「クーロンブロッケード」）。この効果は量子ドットを介する電流フローの量子化をもたらす。印加される電圧の関数としての電流は段階状に上昇し、あるいは、これらの段階レベルを介して制御される。量子ドットのサイズ及び形状は製造方法及び使用される材料に依存する。

一般的に公知には、量子ドットは様々な半導体材料及び炭素から成る。刊行物ＩJ.-Y.Park et al. "Electrical cutting and nicking of carbon nanotubes using an atomic force microscope" (Applied Physics Letters, Volume 80, Number 23 (10,06.2003), pp.4446-4448) からは、半導電性又は金属性炭素から予め形成されたナノチューブからのカッティング又はニッキングによる個別量子ドットの比較的コスト高な製造が公知である。日本特許英文抄録ＪＰ２００２２１７４００Ａからはフラーレン状の構造を有する半球状量子ドットが公知であり、これらの量子ドットは多数が近接して炭素表面を有するシリコン基板上に真空中において熱供給の下で凝集（Agglomeration）によって製造される。自己組織化成長による個別量子ドットの所期の通りの製造は非常に難しい。

量子ドットは多様なやり方で実現されうる。半導体材料からの量子ドットの公知の製造方法には、イオンビームスパッタリング、走査型原子間力顕微鏡による機械的にパターン化する又は局所的に酸化するナノリソグラフィー及びＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモードでの自己組織化島成長による製造が含まれる。しかし、とりわけ主に昨今使用されるナノリソグラフィーは１０ｎｍ以下までの遵守すべき極小寸法のために非常にコスト高であり、障害が起きやすい。さらに、ＤＥ１９８５７０６０Ａ１からは、２つの半導電性絶縁層の間に設けられた導電性半導体層を熱処理することにより、凝集によって半導体構成部材のための量子ドットを作成することが公知である。しかし、この場合、凝集される量子ドットの分布を直接的に制御できない。

量子ドットはその特別な物理的独自性のために任意のナノエレクトリック構造体を製造するために使用される。ここでは印加電圧の僅少な変化により電流を段階的に変化させるクーロンブロッケードに基づく電流スイッチ及び制御電極を介する阻止状態と導通状態との間の量子ドットのスイッチング能力に基づく単一電子トランジスタ（Single-Electron-Transistor ＳＥＴ）を基本モジュールと見なす。ＳＥＴは多種多様に使用されうるもので、例えば電位計、ＤＣ標準器、温度計ならびに論理及びメモリ素子において使用される。ＳＥＴの物理的な基礎、適用事例及び使用方法ならびに今日使用されている製造方法の概観は、刊行物ＩＩK.Hofmann und B.Spangenberg "Der“ultimative”Transistor - Traum oder Wirklichkeit?" (Physikalische Blaetter 56 (2000) Nr.9, pp 45-49)から得られる。傾斜シャドウ蒸着（Schraegschattenbedampfung）及び電子ビームリソグラフィーによって製造される金属性ＳＥＴの他に、特に電子ビームリソグラフィー及び反応性イオンエッチングによって製造される半導体から成るＳＥＴが公知である。代替的な、しかし技術的にはまだ具体的には把握されてはいないアプローチとして、マニピュレーテッドカーボンナノチューブ又は金属被覆されたＤＮＡ束（metallisierte DNA-Straenge）から成るＳＥＴが挙げられる。

従って、先に挙げた従来技術を背景として及び量子ドットのための直ぐ近くの従来技術として引用した日本特許要約書ＪＰ２００２２１７４００Ａを前提として、本発明の課題は、最適なナノエレクトロニクス的特性を有する１２ｎｍより下の領域の所定の寸法を有する導電性炭素から成る量子ドットを提供することである。さらに、簡単で精確で再現可能なやり方で個別量子ドットを製造することができる製造方法を提供しなくてはならない。さらに、本発明の量子ドットはその構造及びその製造プロセスに基づいてＳＥＴに使用することにおける特別な適性を示さなくてはならない。上記課題の解決策は、冒頭に挙げた種類の導電性炭素から成る量子ドットにおいて、ダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素層においてグラファイト状構造を有する円柱状領域として埋め込まれた構造を有し、この電気絶縁性炭素層は、２つの電気絶縁性の、この特性をイオン通過の後でも示す電子にとってトンネリング可能な層厚ｔ_１、ｔ_２を有する絶縁層の間に設けられていることを特徴とする。

本発明の量子ドットは円柱状の形状を有し、これによってその形状において精確に定められ絶縁されている。この量子ドットはグラファイト状構造を有する導電性炭素から成り（グラファイトライクカーボンGraphite Like Carbon ＧＬＣ）、このグラファイト状構造を有する導電性炭素はダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素（ダイヤモンドライクカーボンDiamond Like Carbon ＤＬＣ）の中に埋め込まれている。これにより、初めてＤＬＣにおいて量子ドットを実現することが示され、このＤＬＣはとりわけナノエレクトロニクス構成素子において非常に関心の高い材料である。量子ドットの高さｈはダイヤモンド状構造を有する炭素層ＤＬＣの層厚によって決定され、この炭素層ＤＬＣは２つの絶縁層の間に設けられている。従って、これらの絶縁層は量子ドットをその端面において限定し、量子ドットを出入りする電子に対するトンネル障壁乃至はトンネル間隔を形成する。従って、これらの絶縁層は、電子の重要な作用であるトンネリングを許容するような層厚を有する。量子ドットの直径ｄは製造方法によって、つまりこの場合変換イオンの実効直径によって決定される（下記参照）。本発明による量子ドットの寸法仕様に関して、本発明の量子ドットが８ｎｍの直径ｄ及び５ｎｍの高さｈを有すると有利である。有利には、絶縁層も５ｎｍの同じ層厚ｔ_１、ｔ_２を有する。しかし、トンネル障壁の機能を果たすために、絶縁層の層厚ｔ_１及びｔ_２は５ｎｍよりはるかに大きくなるべきではない。

例えば酸化珪素ＳｉＯ_ｘから成る絶縁層は電気絶縁性であり、この特性をイオンの通過の際でも又はイオンの通過の後でも維持する。本発明の有利な実施形態によれば、この特性は導入された添加物質を有する絶縁層によって達成され、この添加物質はこれらの絶縁層の電気絶縁特性を保持する。添加物質は有利には水素、フッ素又は塩素である。例えば、３０原子百分率の割合による水素ドーピングが行われる。絶縁層の絶縁特性を保持する特性を有する添加物質の導入において、この場合、有利には絶縁層はダイヤモンド状構造を有する炭素層である。これらは添加物質のドーピングによってイオンが通過しても構造的に導電性グラファイト領域には変換されない。さらに、個別に使用可能な量子ドットは本発明によれば安定したベースを保持し、導電性基板を有する構成による接続可能性を保持する。これは他のナノエレクトロニクスコンポーネントの構成にも問題なく使用可能である。これによって、他の構成素子と本発明の量子ドットとのモノリシックな集積化が可能である。

ナノリソグラフィーにより製造される公知の量子ドットは、製造の際に直接的に重要な接続端子コンタクトを製造することができるという利点を有する。炭素から成る公知の量子ドットでは接続のために予め製造されたナノチューブを使用する。フラーレン状炭素から成る公知の量子ドットの接続は公知ではない。これに対して、本発明による量子ドットは有利には直接的に独自の電気的接続端子を有することができる。この場合、本発明の更に別の実施形態では、２つの導電性ナノワイヤを有する集積化された構造を有し、２つの導電性ナノワイヤはグラファイト状構造及び量子ドットと同じ直径を有する円柱状領域としてそれぞれ２つの絶縁層の上及び下の層厚ｌ_１、ｌ_２のダイヤモンド状構造を有する更に別の電気絶縁性炭素層の中に埋め込まれている。従って、本発明の量子ドットは、集積化され、製造方法（下記参照）に基づいて正確に中心に位置決めされた、同じ電気特性及び同じ直径を有する接続端子を有する。これらの接続端子はこの量子ドットをナノエレクトロニクス構成部材における使用にとりわけ適したものにする。従って、ナノワイヤが埋め込まれているこれら２つの付加的な、構造的に変換可能な炭素層の同一の層厚によって、対称的な構造を有する直接的に接続可能な量子ドットが得られる。しかし、集積されたナノワイヤが異なる長さを有し、それらの長さにおいてその都度の量子ドットの適用事例に最適に適合さることも可能である。

さらに量子ドットの既に公知の製造方法が上記のように詳しく説明されたが、これらの既に公知の製造方法はその実施において全て相対的にコスト高であり、それにもかかわらず量子ドットの予め設定される寸法及び再現可能性の実現においては不満足なものである。ＤＥ１９８５７０６０Ａ１によって公知の方法は、この場合本発明による製造方法に最も近い従来技術を形成する。これに対して、本発明の導電性炭素層から成る量子ドットの製造のためには、以下のような方法ステップを有するとりわけ簡単な、それにもかかわらず高精度の製造方法がとりわけ有利には使用される：
・下部の電気絶縁性の、この特性をイオン通過の後でも示す電子にとってトンネリング可能な層厚ｔ_１を有する絶縁層を導電性基板上に堆積させる方法ステップと、
・ダイヤモンド状構造及び量子ドットの高さを決定する非常に僅少な層厚ｈを有する電気絶縁性炭素層を堆積させる方法ステップと、
・上部の電気絶縁性の、この特性をイオン通過の後でも示す電子にとってトンネリング可能な層厚ｔ_２を有する絶縁層を堆積させる方法ステップと、
・層パケットにこれに対して垂直に配向された、所定のフルエンス及び所定のエネルギを有する重イオンのイオンビームを照射し、この所定のフルエンスはイオンの個々の通過トラック間の十分な間隔を保証し、この所定のエネルギは各イオンの通過トラックにおいて生じるダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素層のグラファイト状構造を有する導電性炭素への構造変換のために十分に高いエネルギデポジション（Energiedeposition）を保証する方法ステップと、
・製造された量子ドットをそのダイヤモンド状構造を有する炭素層に比べて高い導電率に基づいて検出する方法ステップ。

ダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ）のグラファイト状構造を有する導電性炭素層への変換のための原理的な方法は、同一の出願人のドイツ特許ＤＥ１９９１０１５６Ｃ２から公知である。ここにはダイヤモンド状構造を有する炭素の電子エミッタ（Elektronenemitter）及びこの電子エミッタの製造のための方法が記述されている。この公知の方法の特別な利点は、エミッティングナノチューブの垂直配向及び選択されたフルエンス（発生イオンの個数／ｃｍ^２）に依存する面におけるこれらのナノチューブの統計的に一様な分布にある。このために、まず最初に基板上に４０ｎｍと１０００ｎｍとの間の厚さを有する絶縁層が堆積される。次いで、この層がその表面に対して垂直に高エネルギ重イオンによって均質に照射され、これらのイオンが絶縁層の構造変換のために十分な大きなエネルギデポジションをこの層の厚さ全体に亘って保証するようなエネルギを有し、統計的に絶縁層に入射するイオンの平均間隔が２０ｎｍと１０００ｎｍとの間にあるような線量（フルエンス）をこれらのイオンは有する。この場合、高エネルギ重イオンとして２４０ＭｅＶのエネルギ及び５×１０^１０粒子／ｃｍ^２の線量を有するＸｅイオンが使用される。絶縁層の材料としてはダイヤモンドライクカーボンが使用され、このダイヤモンドライクカーボンはイオンデポジションによってドープされたシリコン基板上に堆積され、１００ｎｍの層厚を有しうる。

これに対して本発明の方法では、単一の比較的厚い炭素層ではなく、変換可能な及び変換不可能な電気絶縁層から成る交互する層列が堆積され、次いでイオンビームによって共に照射される。これは、イオン間の平均入射間隔が選択されたフルエンスによって統計的に決定されている比較的幅広いイオンビームであるか又は本発明の製造方法の有利な実施形態によればマイクロイオンビームである。このマイクロイオンビームは、所期の通りに個々のイオントラックを所定の間隔、例えば数ナノメートルに設定する可能性を提供する。ダイヤモンド状構造を有する変化可能な電気絶縁性炭素層はイオンの１つ又は複数の通過トラックにおいて導電性グラファイト層に変換される。絶縁層はこの場合その電気絶縁性を保持する。製造される量子ドットの直径はイオンの選択によって決定され、これは例えば金又はウランイオンである。従って、各量子ドットはたった１つのイオンによって発生される。この簡単な、しかし非常に精確かつ確実に再現可能な製造方法によって、単一の又は複数の十分に互いに間隔をおいて配置された量子ドットが層構造の中に発生される。１つ又は複数の発生された量子ドットの発見は、層パケットの表面における導電率の検出によって行われる。このために例えば検出器として測定電流回路が層パケットの導電性基板（又はそこに被着された面状電極）と走査型原子間力顕微鏡（Atomic-Force-Microscope ＡＦＭ）の探針との間に設けられ、層パケットの表面がＡＦＭ探針によって高い位置分解能で走査される。導電率の上昇が１つ又は複数の発生された量子ドットを示す。これに従って、１つ又は複数の有利な量子ドットが選択され、電気的に接続される。

イオン通過の際の導電層の安定性は本発明による量子ドットの簡単な製造可能性にとって重要である。本発明の製造方法の実施形態に従って、絶縁層の堆積の間にガス状の添加物質の供給が行われ、このガス状の添加物質が絶縁層の電気絶縁特性を保持する特性を有すると、有利である。ガス状の添加物質は有利には水素、塩素又はフッ素ガスであり、このガス状の添加物質は例えば製造チャンバに導き入れられる。添加物質の導入によって絶縁層の持続的な電気絶縁作用が惹起され、この結果、これらの絶縁層は同様にダイヤモンド状構造を有する炭素からも構成されうる。全ての層に対する同一の材料選択によって製造プロセスはさらにいっそう簡略化される。製造チャンバ内への絶縁層製造中のガス状添加物の一時的な導入は技術的な問題を呈することはなく、簡単かつ精確に制御可能である。従って、最終的には、その都度の開始時点及びガス状添加物質の導入の長さの選択によって、持続的に絶縁性を有する層と量子ドット及び接続ナノワイヤの製造のための変換可能な層とダイヤモンド状構造を有する炭素の連続的な堆積の間のそれぞれの層の高さとから層列が決定される。堆積のためには、様々な方法、有利には室温における５０ｅＶ〜２００ｅＶまでのエネルギインターバルでの炭素イオンのデポジションが使用される。絶縁層の堆積は、とりわけ絶縁層が炭素から構成されない場合には、気相からの蒸着によって行われる。他の堆積方法も適用可能である。

電気的な接続は量子ドットの利用の際にその小さい寸法のために原理的な困難をもたらす。それゆえ、本発明の量子ドットは有利には既に集積化されたナノワイヤを接続ワイヤとして有する。ナノワイヤの製造のためには、本発明の方法における有利な実施形態によれば、絶縁層の堆積の前に及び後に行われるそれぞれ層厚ｌ_１、ｌ_２のダイヤモンド状構造を有するより厚い炭素層の堆積が行われる。イオンビームによる照射により通過トラックはこの場合グラファイト状構造を有する導電性領域に変換される。従って、量子ドットの場合と同じ製造プロセスが実施される。相違点は層の設計仕様である。これらの付加的にデポジットされる炭素層のより大きい層厚ｌ_１、ｌ_２によって、もはや更なる量子ドットは生じず、縦長のナノワイヤが生じ、これらのナノワイヤの同一の又は異なる長さはこれらの付加的な炭素層の層厚ｌ_１、ｌ_２によって与えられる。しかし、ナノワイヤは本発明では製造原理によって直接的に量子ドットと共に垂直方向ラインにずれなしに配向され、接続される。２つの絶縁層はこのために電子によってトンネリングさらうるような層厚ｔ_１、ｔ_２（例えば５ｎｍ）を有する。高エネルギイオンビームによる数マイクロメートルの厚さまでの層パケット全体の貫通が保証されている。

イオンビームによるｉｎ−ｓｉｔｕな製造に基づく量子ドットとナノワイヤとの間のずれのない接続によって、本発明の量子ドットは更なる本発明の実施形態による外部との電気接続に対する最良の前提条件を提供し、これによって実用回路における効率的な適用がもたらされる。外部との電気的接続に関しては、様々な実現方法が存在する。例えば、リソグラフィー方法によって薄い、１マイクロメートルから複数マイクロメートルの幅の導体線路が基板上に被着される。次いで層パケットが堆積される。最も上の層上に下部導体線路に対して垂直に更に別の薄い導体線路が被着される。続いて、バーチャルな交点において所期のイオンビーム照射によってそれぞれ量子ドットが置かれる。これは、マイクロイオンビーム（交点から交点へのマイクロイオンビームの前進）によって又はイオンビームにより誘導される量子ドットの統計的な分布を利用することによって行われる。平面に亘るイオンの統計的分布においてフルエンスの適切な選択により交点毎にゼロ個又は１個又は２個等々の量子ドットが得られる。電流回路の抵抗に基づいて、何個の量子ドットが周辺範囲に存在しているかが判定されうる。この場合、ただ１個の量子ドットを有する周辺範囲への限定が行われうる。バーチャルに交叉する導体線路による方法の代わりに、ＡＦＭ探針が一方の接点を形成し、導電性基板がもう一方の接点を形成することもできる。量子ドットの検出のための測定回路は同時に接続回路である。電気回路の容量を僅少に保持するために、有利にはマイクロメカニカルな給電線路が基板上に選択される。

とりわけ有利には、次の本発明の実施形態によれば、製造方法においてｎ個の垂直方向に直線状に配置された量子ドットを製造するための層構造のｎ回の反復が行われ、これらの間に層厚ｔ_ｎの少なくとも１つの絶縁層が堆積される。これによって、真珠のネックレスの場合のように並んだ多数の量子ドットが生じる。これらの量子ドットの間には常に一定の又は可変的な層厚ｔ_ｎの絶縁層が存在する。場合によっては、ダイヤモンド状構造を有する炭素から成る導体部材も個々の量子ドットの間に挿入されうる。このために、付加的なＤＬＣ層が単一量子ドットの接続のためのナノワイヤの製造の場合のように層パケットの中の相応の箇所に設けられる。従って、量子ドットを定める層列の繰り返し数に応じて、相応の個数の垂直方向にずれもなく直線状に存在する量子ドットが単一イオンによって発生される。複数の量子ドットの互いに重なりあうこの垂直配置の利点は、イオン通過により自動的にＤＬＣからなる付加的な炭素層において喚起される集積化された電気的接続である。量子ドットの垂直方向の形成と量子ドットの水平方向の形成との組み合わせによって、最終的には量子ドットの空間的配置がもたらされる。相応の接続により面内に製造された量子ドットの別個の又は共通の利用がこの場合可能である。

ナノワイヤの形状の２つの電気的接続部と量子ドットとの集積化された結合によって新種の構造が得られる。この新種の構造は、本発明の量子ドットのとりわけ有利な適用事例よれば、ソース・ドレイン電流回路におけるこれら２つのナノワイヤの電気的接続とダイヤモンド状構造を有する上部炭素層の上に量子ドットと同心状に配置されるリング状制御電極とを有する単一電子トランジスタでの適用に適している。２つのナノワイヤの接続は、例えばＡＦＭ探針と導電性基板又はそこに被着された面状電極の接続部とによる既述の方法を介して行われうる。リング状制御電極の被着は、例えば量子ドットの製造の前に層パケットに付加的に蒸着された金属層の相応のエッチングによって行われる。量子ドットに対して軸方向の延長線上に存在し集積化されたナノワイヤに対する配向を介して、リング状制御電極の中心配置が簡単に達成される。従って、本発明の量子ドットの使用によって初めてダイヤモンド状構造を有する炭素をベースにしたＳＥＴが使用できるのである。本発明の量子ドットの使用例におけるＳＥＴの詳細は専門的な記述部分から得られる。

本発明の実施形態を以下において概略的な図に基づいて詳しく説明する。この場合、
図１は本発明の量子ドットの断面図を示し、
図２は垂直方向ラインにおいて３つの量子ドットを製造するための３重の層パケットの断面図を示し、
図３は単一電子トランジスタとして使用する場合の本発明の量子ドットの断面図を示す。

図１は断面図においてグラファイト状構造を有する導電性炭素ＧＬＣから成る量子ドットＱＰを有する層パケットＬＳを示す。量子ドットＱＰは円柱状に形成されており、ダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素層ＤＬＣ_ＱＰの中に埋め込まれており、この電気絶縁性炭素層ＤＬＣ_ＱＰの層厚が量子ドットＱＰの高さｈを決める。炭素層ＤＬＣ_ＱＰはまた２つの電気絶縁性絶縁層ＩＬ_１、ＩＬ_２の間に配置されており、これらの２つの電気絶縁性絶縁層ＩＬ_１、ＩＬ_２はその絶縁特性をイオンの通過後も保持する。これは、例えば水素Ｈによるドーピングによって達成されうる。このケースでは、２つの絶縁層ＩＬ_１、ＩＬ_２も方法簡略化のためにダイヤモンド状構造を有する炭素ＤＬＣから構成される。この例ではこれらは５ｎｍの層厚ｔを有する。量子ドットＱＰは導電性基板ＳＬの上に構成されている。ここに示された実施例では量子ドットＱＰは５ｎｍの高さを有し、この高さはダイヤモンド状構造を有する炭素層ＤＬＣ_ＱＰの高さに相応する。量子ドットＱＰの直径ｄは貫通するイオンによって決定され、この例では８ｎｍである。

さらに図１には２つの集積化されたナノワイヤＮＷ_１、ＮＷ_２が見て取れる。これらのナノワイヤＮＷ_１、ＮＷ_２はグラファイト状構造及び量子ドットＱＰと同じ直径を有する炭素ＧＬＣから成る円柱状領域として２つの絶縁層ＩＬ_１、ＩＬ_２の上の及び下のダイヤモンド状構造を有する２つの更に別のより厚い電気絶縁性炭素層ＤＬＣ_１、ＤＬＣ_２の中に埋め込まれている。この場合、２つの絶縁層ＩＬ_１、ＩＬ_２は電子にとってトンネリング可能な層厚ｔを有し、この結果、量子ドットＱＰへの２つのナノワイヤＮＷ_１、ＮＷ_２の電気的な接続が保証される。円柱状ナノワイヤＮＷ_１、ＮＷ_２は量子ドットＱＰに比べてはるかに大きな長さｌを有し、この量子ドットＱＰとちょうど垂直方向に一直線状に存在する。これは後で詳しく説明する製造方法から生じる。２つのナノワイヤＮＷ_１、ＮＷ_２によって量子ドットＱＰは最適に接続され、問題なくナノエレクトロニクス構成素子においてさらに使用されうる。

図１に図示された本発明の量子ドットＱＰ及び集積化されたナノワイヤＮＷ_１、ＮＷ_２を有する層パケットＬＳに基づいて、以下において本発明の製造方法を詳しく説明する。まず最初に例えばドープされたシリコンから成る導電性基板ＳＬ上にダイヤモンド状構造を有する比較的厚い下部炭素層ＤＣＬ_１が例えばイオンデポジションによって堆積される。この層が予め設定された層厚ｌ_１例えば２０ｎｍに到達した後で、イオンの通過の後でも絶縁性を保ち続ける５ｎｍの層厚ｔ_１を有する下部絶縁層ＩＬ_１が蒸着され、この結果、この下部絶縁層ＩＬ_１は電子によってトンネルリングされうる。イオン衝撃において絶縁作用を維持するために、ここに図示された実施例ではデポジションの間に水素ガスＨ_２が供給され、この水素ガスＨ_２から水素Ｈが下部絶縁層ＩＬ_１の中に例えば３０原子百分率までの分子割合（Molekuelanteil）で均質に導入される。この実施形態では下部絶縁層ＩＬ_１もダイヤモンド状構造を有する炭素から構成されていてもよい。次の層としてダイヤモンド状構造を有する薄い炭素層ＤＬＣ_ＱＰが量子ドットＱＰの所望の高さｈ、ここでは５ｎｍまで堆積される。この上に、下部絶縁層ＩＬ_１と同じようにこの例では５ｎｍの層厚ｔ_２を有する上部絶縁層ＩＬ_２が堆積される。続いて、比較的厚い下部炭素層ＤＬＣ_１と同様に層厚ｌ_２、この実施例では同様に２０ｎｍの比較的厚い上部炭素層ＤＬＣ_２が続く。これによって、ナノワイヤＮＷ_１、ＮＷ_２を有する中間炭素層ＤＬＣ_ＱＰに設けられる１つ又は複数の量子ドットＱＰを製造するための層パケットＬＳが完成される。

次の方法ステップとして、層パケットＬＳはその表面に対して垂直にイオンビームＩＢによって照射される。ここに示されているのはイオントラックＩＴである。この場合、イオンの入射角度の偏差も許容可能である。これらの偏差は量子ドットＱＰの円柱状の形状の歪みをもたらすが、量子ドットＱＰの機能を損なうことがない限りは容認される。イオンはＸｅイオン、Ａｕイオン又はＵイオンであってもよく、後者は１ＧｅＶのエネルギを有しうる。１×１０^８イオン／ｃｍ^２の選択されたフルエンスを有するイオンビームの場合には、イオンの個々の入射位置は１０００ｎｍの平均間隔を有し、これは量子ドットＱＰの良好な孤立化に相応する。層パケットＬＳを貫くイオンビームＩＢの通過トラックＩＴは破線によって示されている。ここに示された実施例では、量子ドットＱＰは炭素層ＤＬＣ_ＱＰにおいてイオン通過により非導電性ダイヤモンド状構造の導電性グラファイト状構造ＧＬＣへの変換によって生じる。次いで、量子ドットＱＰの発見が最後の方法ステップにおいて例えば面状背面電極に対するＡＦＭ探針による導電率の検出によって行われる。検出された量子ドットＱＰは次いで層パケットＬＳの表面において接続されうる。

図２は断面図において図１の層パケットＬＳの３重層構造（ｎ＝３）を示し、この層構造は前述の本発明の製造方法のサイクリックな繰り返しによって生じる。従って、イオン通過の際に３つの量子ドットＱＰが生じ、これらの３つの量子ドットＱＰはずれなしに垂直方向に通過イオンの通過トラックＩＴ内で上下に連なってネックレスの真珠のように配置され、トンネリング可能な絶縁層ＩＬによって分離されている。実現すべき構成素子による要求に応じて、多数の量子ドットＱＰが層構造の反復によって垂直方向に互いに上下に重なって製造されうる。ナノワイヤＮＷを介して量子ドットＱＰの列は接続されうる。個々の量子ドットＱＰの間に短い導体部材を集積化することもできる（図２には図示されていない）。最大イオンエネルギは、互いに上下に重なる量子ドットＱＰの最大個数乃至は層パケットＬＳの最大厚さに対する制限を意味する。

図３には断面図において本発明の量子ドットＱＰの単一電子トランジスタＳＥＴとしての使用が図示されている。このために量子ドットＱＰは単一電子トランジスタＳＥＴのソース・ドレイン電流回路ＳＤＣに接続されている。この接続は、この選択された例では、上部ナノワイヤＮＷ_１（ドレイン）のＡＦＭ探針及び量子ドットＱＰの下部ナノワイヤＮＷ_２（ソース）の領域の面状電極ＰＥを介して行われる。ドレイン領域では、ダイヤモンド状構造を有する上部炭素層ＤＬＣ_２上に金属性のリング状制御電極（ゲート）が量子ドットＱＰに対して同心状に配置されている。この制御電極（ゲート）の内径Ｄはこの選択された実施例では１００ｎｍである。制御電極（ゲート）における制御電圧の変化によってソース・ドレイン電流回路ＳＤＣにおける電流フローは変化する（Ｕ_ＳＤ）。よって、阻止と導通との間でトランジスタ的状態が、いやそれ以上に導通領域においては段階状の電流フローが量子ドットＱＰつまりこの量子ドットＱＰの電子的チャージ及びディスチャージによって達成されうる。

本発明の量子ドットの断面図を示す。 垂直ラインにおいて３つの量子ドットの製造するための３重の層パケットの断面図を示す。 単一電子トランジスタとして使用する場合の本発明の量子ドットの断面図を示す。

符号の説明

ＡＦＭ 走査型原子間力顕微鏡
ＤＬＣ ダイヤモンド状構造を有する炭素層
ｄ ＱＰの直径
Ｄ ゲートの内径
ＧＬＣ グラファイト状構造を有する炭素
ｈ ＱＰの高さ、ＤＬＣ_ＱＰの層厚
ＩＢ イオンビーム
ＩＴ 通過トラック
ＩＬ 絶縁層
ｌ_１、ｌ_２ ＤＬＣ_１、ＤＬＣ_２の層厚
ＬＳ 層パケット
ＮＷ ナノワイヤ
ＰＥ 面状電極
ＱＰ 量子ドット
ＳＤＣ ソース・ドレイン電流回路
ＳＥＴ 単一電子トランジスタ
ｔ_１、ｔ_２ ＩＬ_１、ＩＬ_２の層厚
Ｕ_ＳＤ ＳＤＣにおける電圧

Claims (15)

1. 導電性炭素から成る量子ドットにおいて、
   ダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ_ＱＰ）においてグラファイト状構造（ＧＬＣ）を有する円柱状領域として埋め込まれた構造を有し、前記電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ_ＱＰ）は、２つの電気絶縁性の、この特性をイオン通過の後でも示す電子にとってトンネリング可能な層厚ｔ_１、ｔ_２を有する絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）の間に設けられていることを特徴とする、導電性炭素から成る量子ドット。
2. 導入された添加物質を有する絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）を有し、前記添加物質は前記絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）の電気絶縁特性を保持することを特徴とする、請求項１記載の量子ドット。
3. 絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）に導入される添加物質として水素（Ｈ）、フッ素（Ｆ）又は塩素（ＣＬ）を特徴とする、請求項２記載量子ドット。
4. ダイヤモンド状構造（ＤＬＣ）を有する炭素から成る絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）を特徴とする、請求項２又は３記載の量子ドット。
5. 導電性基板（ＳＬ）を有する構造を特徴とする、請求項１〜４のうちの１項記載の量子ドット。
6. ８ｎｍの直径ｄ及び５ｎｍの高さｈ及び同様に５ｎｍの絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）の同じ層厚ｔ_１、ｔ_２を特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の量子ドット。
7. ２つの導電性ナノワイヤ（ＮＷ_１、ＮＷ_２）を有する集積化された構造を有し、
   前記２つの導電性ナノワイヤ（ＮＷ_１、ＮＷ_２）はグラファイト状構造（ＧＬＣ）及び量子ドット（ＱＰ）と同じ直径ｄを有する炭素の円柱状領域としてそれぞれ２つの絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）の上及び下の層厚Ｌ_１、Ｌ_２のダイヤモンド状構造を有する更に別の電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ_１、ＤＬＣ_２）の中に埋め込まれていることを特徴とする、請求項６記載の量子ドット。
8. とりわけ請求項１〜７のうちの１項記載の導電性炭素から成る量子ドット（ＱＰ）の製造のための方法において、
   以下の方法ステップを有する、すなわち、
   ・下部の電気絶縁性の、この特性をイオン通過の後でも示す電子にとってトンネリング可能な層厚ｔ_１を有する絶縁層（ＩＬ_１）を導電性基板（ＳＬ）上に堆積させる方法ステップと、
   ・ダイヤモンド状構造及び量子ドット（ＱＰ）の高さを決定する非常に僅少な層厚ｈを有する電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ_ＱＰ）を堆積させる方法ステップと、
   ・上部の電気絶縁性の、この特性をイオン通過の後でも示す電子にとってトンネリング可能な層厚ｔ_２を有する絶縁層（ＩＬ_２）を堆積させる方法ステップと、
   ・層パケット（ＬＳ）にこれに対して垂直に配向された、所定のフルエンス及び所定のエネルギを有する重イオンのイオンビーム（ＩＢ）を照射し、前記所定のフルエンスはイオンの個々の通過トラック（ＩＴ）の間の十分な間隔を保証し、前記所定のエネルギは各イオンの通過トラック（ＩＴ）において生じるダイヤモンド状構造を有する電気絶縁性炭素層（ＤＬＣ）のグラファイト状構造を有する導電性炭素（ＧＬＣ）への構造変換のための十分に高いエネルギーデポジションを保証する方法ステップと、
   ・製造された量子ドットをダイヤモンド状構造を有する炭素層（ＤＬＣ）に比べて高いその導電率に基づいて検出する方法ステップとを有する、とりわけ請求項１〜７のうちの１項記載の導電性炭素から成る量子ドット（ＱＰ）の製造のための方法。
9. 正確に位置決め可能なマイクロイオンビーム（ＩＢ）による層パケット（ＬＳ）の照射を有する、請求項８記載の方法。
10. 絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）の堆積の間に前記絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）の電気絶縁特性を保持する特性を有するガス状の添加物質の供給を有する、請求項８又は９記載の方法。
11. ガス状の添加物質として水素ガス（Ｈ_２）、塩素又はフッ素ガスの供給を有する、請求項１０記載の方法。
12. 絶縁層（ＩＬ_１、ＩＬ_２）の堆積の前に及び後に行われるそれぞれ層厚Ｌ_１、Ｌ_２のダイヤモンド状構造を有するより厚い炭素層（ＤＬＣ_１、ＤＬＣ_２）の堆積を有する、請求項８〜１１のうちの１項記載の方法。
13. 量子ドット（ＱＰ）の外部との電気接続を有する、請求項１２記載の方法。
14. ｎ個の垂直方向に直線状に配置された量子ドット（ＱＰ_ｎ）を製造するために層構造（ＬＳ）をｎ回繰り返すことを有し、これらの量子ドット（ＱＰ_ｎ）の間には層厚ｔ_ｎの少なくとも１つの絶縁層ＩＬ_ｎが堆積される、請求項８〜１３のうちの１項記載の方法。
15. ソースドレイン電流回路（ＳＤＣ）における２つのナノワイヤ（ＮＷ_１、ＮＷ_２）の電気的接続を有し、量子ドット（ＱＰ）に対して同心状にダイヤモンド状構造を有する上部炭素層（ＤＬＣ_２）上に配置されているリング状制御電極（ゲート）を有する、単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）における、とりわけ請求項７記載の導電性炭素（ＧＬＣ）から成る量子ドット（ＱＰ）の使用。

Images